Кислород в атмосфере землеподобной экзопланеты может образоваться и без участия живых организмов.

Появлению в атмосфере нашей планеты кислорода примерно 2.5 миллиарда лет назад мы обязаны предкам цианобактерий, «научившихся» фотосинтезу. На протяжении последующих двух миллиардов лет концентрация кислорода в воздухе постепенно росла, пока не стабилизировалась около современных 20%. Кроме живых организмов, других значимых источников кислорода на Земле нет и, скорее всего, никогда не было, поэтому, за неимением других примеров, кислород в атмосфере экзопланеты считается одним из самых надёжных свидетельств существования на ней жизни. Хотя инопланетная живность может и не обнаруживать себя кислородным «выхлопом» – как-никак первые земные организмы вели себя подобным образом целый миллиард лет. С другой стороны, и наличие кислорода в атмосфере не обязательно говорит о его биологическом происхождении. Вот на втором варианте и остановимся подробнее.

Экзопланета Kepler-62f в представлении художника. Илл.: NASA Ames/JPL-Caltec 

Группа исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и Вашингтонского университета решила поискать такие варианты, когда на экзопланете, похожей на Землю, вращающейся вокруг звезды, похожей на Солнце, кислород в атмосфере может накопиться без участия живых организмов. Это важно, поскольку именно на землеподобных экзопланетах астрономы в первую очередь собираются искать биомаркеры – химические индикаторы биологических процессов. И именно под эту задачу проектируются и создаются новые наземные и орбитальные телескопы. Поэтому знание ограничений в определении разных биомаркеров поможет оградить исследователей от возможных разочарований и сэкономить время и ресурсы на поиски. Как пишут учёные в AGU Advances, они нашли три сценария, по которым в атмосфере экзопланеты может накопиться кислород. Все три зависят от того, с каких условий стартует эволюция экзопланеты.

Во-первых, если в её атмосфере с самого начала углекислого газа будет больше, чем воды. Тогда за счёт парникового эффекта температура поверхности экзопланеты не позволит водяному пару сконденсироваться. В верхних слоях атмосферы молекулы воды под действием света звезды будут постепенно распадаться на кислород и водород, и последний за счёт своей более лёгкой массы будет с большей скоростью уносится в космическое пространство, а кислород будет оставаться.

Во-вторых, кислород может накопиться в атмосфере в случае, если на экзопланете изначально окажется много воды. Когда её количество в 10-200 раз больше, чем объём земного Мирового океана (напомним, что мы говорим о землеподобной планете), то, спустя короткий период, когда поверхность достаточно остынет, всю экзопланету покроет толстый слой воды. Большое давление (а глубина такого супер океана будет больше 100 км), довольно быстро остановит движение экзопланетной коры. Атмосферный кислород мог бы поглощаться некоторыми минералами, но из-за замирания тектонического движения на поверхность не будут выходить новые горные породы, и отток кислорода из атмосферы будет крайне медленным. Это опять же позволит ему пусть и не быстро, но накопиться за счёт разложения воды в верхних слоях атмосферы и улетучивания водорода.

В третьем сценарии небиологического накопления кислорода, наоборот, вместо «водного мира» нужна «пустыня». Если на экзопланете исходно окажется сравнительно мало газообразных веществ (в том числе, воды), то магматический океан на её поверхности быстро остынет, и образуется твёрдая поверхность. Способность твёрдых пород поглощать кислород намного меньше, чем у жидкой магмы, поэтому и образовавшийся в атмосфере кислород будет довольно долго связываться веществом на поверхности экзопланеты. Что при определённом сочетании условий позволит существовать кислородной атмосфере несколько миллиардов лет.

Авторы работы рассматривали лишь модель землеподобной экзопланеты около солнцеподобной звезды, но даже при таких ограничениях есть шанс «промахнуться» с кислородом, необоснованно приписав ему биологическое происхождение. Хотя, как говорят сами исследователи, если брать во внимание не только факт наличия кислорода, но и ряд других измеримых параметров атмосферы экзопланеты и её поверхности, то вероятность отличить «живой» кислород от неживого существенно вырастает.